噪声等效温差_NETD_测试方法分析.pdf

噪声等效温差(NETD)测试方法分析尹达人许生龙(南京理工大学,南京,210014)(昆明物理研究所,昆明,650223)【摘要】讨论了扫描热象仪及红外焦平面凝视热象仪 NETD的计算公式,其中最关键的是噪声等效带宽的计算,作者建议,除了要标定噪声等效温差,还应标定噪声等效发射率差及噪声等效反射率差。【关键词】热象仪噪声等效温差噪声等效带宽收稿日期:1996 10 211前言文献 1,2,3 介绍了美军热象仪规范手册中给出的热象仪性能参数,直至目前,国内、外均沿用上述参数进行评价,其中主要的测试参数是最小可分辨温差(MRT D)及噪声等效温差(NET D)。在文献 4 中,我们对 MRTD 进行了分析,本文主要分析 NETD 的测试方法。国内已发表了不少 NET D 测试数据,文献 11 给出“风云一号”卫星扫描辐射计 NETD0.8K,文献 12 中给出该焦平面凝视热象仪NETD=0.42,文献 14 中给出了天津、昆明、上海、北京各红外研究所研制的热象仪的NETD 值,各为 0.30.4,0.10.2,0.10.2,0.2,从下述分析估计,这些数据还有噪声等效带宽计算的统一性问题。对于 NETD,文献 2 的定义是“使用 3dB截止为 1/(2t)的标准滤波器(t 为探测器滞留时间),在多路传输之前,系统所产生的信号及噪声(均方根值)之比为 1 时,所需的大空间目标(大于或等于瞬时视场)和背景的温差”。它标志热象仪可探测的最小温差。实际上,噪声等效功率是电子系统普遍使用的参数,它是衡量系统在噪声中辨别小信号能力的参数,主要与滤波器带宽有关,但是这一参数常常不能全面反映整个系统的性能。2NET D 公式的推导光机扫描热象仪 NET D 的推导 5:在一背景中有一黑体目标,两者温差为?T,目标的温度为 T,其光谱辐射通量密度为W?(T),按朗伯余弦定律,则其光谱辐射亮度B?(T)=W?(T)/?,若热象仪与目标的距离为 d,且其光学系统的有效面积为 A0,目标对热象仪主镜的张角为 A0/d2,主镜所接收的光谱辐射照度为 B?(T)A0/d2,热象仪瞬时视场为?,在 d 处所对应的目标面积为?d2,忽略大气透过率,只考虑光学系统透过率?0(?),热象仪接收该面积的目标光谱辐射功率为:P?(T)=(1/?)W?(T)?A0?0(?)(1)热象仪从背景扫到目标时,其接收的辐射变化量为:?P?(T)?T=?A0?0(?)?W?(T)?T(2)若探测器的光谱响应率为R(?)=VnD*(?)ab?fR,其中?fR为系统噪声等效带宽,Vn为均方根噪声电压,D*(?)为归一化探测率,ab 是探测器面积,由目标与背景的温差所产生的电压变化量为:?Vs(?)?T=?P?(T)R(?)?T=A0?0(?)VnD*(?)?ab?fR?TW?(T)(3)31Vol.19No.4红外技术对系统响应波长?1?2积分,用小信号近似,得:?VsVn=?TA0?ab?fR?2?1?W?(T)?TD*(?)?0(?)d?(4)把信号峰值电压与噪声的均方根值之比等于 1 时的温差定义为 NETD,则:NETD=?ab?fRA0?1?2?1?W?(T)?TD*(?)?0(?)d?(5)红外焦平面凝视热象仪 NETD 的推导是按文献 11,12 的思想,具体公式还稍有不同。从背景扫到目标时,若其温度变化?T,则其辐射变化量按(2)式为:?P?(T)?T=?A0?0(?)?W?(T)?T若焦平面器件的光谱响应率为 R1(?),在积分时间t 内,由?P?(T)引起的输出信号电流为:Is(?)=R1(?)?P?(T)t=R1(?)?A0?0(?)t?T?TW?(T)(6)焦平面器件的噪声电流 IN取决于噪声电子数Ne,IN=Neq(7)其中q 是电子电荷。若系统的响应波长为?1?2,则IsIN=?A0t?T?Neq?2?1R1(?)?0(?)?TW?(T)d?(8)当 Is/IN=1 时的温差,即为焦平面系统的NETD,NETD=?Neq?A0tR1?0?2?1?TW?(T)d?(9)其中 R1及?0是在?1?2中 R1(?)及?0(?)的平均值。文献 10 认为,D*及 NETD 只适合光机扫描系统,这还应深入研究。3若干问题讨论3.1噪声等效带宽的讨论对于扫描热象仪,其噪声等效带宽直接影响 NETD,为红外界人士关注。文献 7 把热象仪电子带宽定义为:?f=k(f2-f1)(10)其中k 为常数,f2=(AB)/(?)F,f1=F,其中A B 为搜索视场,?为瞬时视场,F 为帧速。文献 8 把电子带宽定义为:?f=k/?(11)其中?是输入脉冲宽度,k 是常数,“要接近于传输矩形脉冲的最佳情况,k=0.5”8。目前国内红外界一般按 Lloyd J.M 5的推导进行计算,系统噪声等效带宽?fR定义为:?fR=0g2(f)r2e(f)df(12)其中 g(f)是探测器的噪声谱,re(f)是电子放大器的调制传递函数,若放大器是一 RC 低通滤波器,其传递函数为 re(f)=1/(1+f2/f20),其中 f0=1/2?d,?d=?RC,若探测器噪音是白噪音,则 g(f)=1,按(12)式,?fR=?2f0=?212?d(13)文献 5 把上述公式引用至多元扫描热象仪,建议使用一外部测量滤波器,要求包括外部测量滤波器在内的全部电路 MTF 应为:re(f)=1(1+f2/f2R)(14)其中 fR=1/2?d,文中把?d引伸为系统滞留时间 5,对于 n 元并扫系统,?d=n?scA BF(15)其中?是瞬时视场,?sc是扫描效率,AB是总观察视场,F 是帧速。对(14),(15)式定义32尹达人许生龙:噪声等效温差(NETD)测试方法分析1997 年 7 月的合理性,值得研究。对于热象仪电子滤波器带宽,我们建议按如下思路考虑。热象仪扫描景物的最狭脉冲宽度应是 td=a/vx,其中 a 是在扫描方向探测器宽度,vx是扫描方向的扫描速度,由于热象仪要精确再现这一矩形脉冲,按文献 6,建议带宽取?fR=4/td(16)文献 6 曾指出,只要保持矩形脉冲的峰值,且脉冲峰值功率和噪声功率的比值为最大时,可取?fR=1/(2td),但是要准确复现这矩形脉冲时,?fR=4/td,其中?fR是3 分贝噪声等效带宽。NETD 计算值显然与?fR直接有关,取较窄的?fR,滤掉更多噪声,能提高信噪比,LloydJ.M.指出:不要过分地滤掉噪音,这样虽然会获得好的 NET D,却牺牲良好的 MT F”,因为?fR过分窄,就不可能准确地复现这矩形脉冲。3.2这一特性参数只反映了光学系统、探测器及前置滤波器的特性。3.3上述分析把目标和背景都看成黑体,而实际使用时,目标和背景多是灰体,只要目标和背景存 在温 差、发 射率(NEED)差和 反 射率(NERD)都可产生信号,按文献 9 计算,只要目标和背景发射率相差 0.015,即可产生 1的NETD,此时目标温度为 300K,因此,除了标定噪声等效温差,还应标定噪声等效发射率差,若系统需白天使用,还应标定噪声等效反射率差。3.4NETD 测试时,要求空间目标远大于瞬时视场,实际使用中若不满足这一条件,可使系统信噪比等于 1 的 NET D 较满足这一条件的NETD 相差很多。4小结NETD 是衡量系统在噪声中辨别小信号能力的一个参数,可粗略估计系统灵敏度,对于扫描热象仪,最关键的是噪声等效带宽?fR的计算,我们建议?fR=k/td,td=a/vx,其中 a 为在扫描方向探测器宽度,vx是扫描速度,k 建议取 4。对于红外焦平面凝视热象仪 NETD 的计算,我们正在探讨中。由于目标和背景实际上都是灰体,假若两者存在温差、发射率差、反射率差,这些差别都可产生信号,所以在文献 13 中,建议除了标定噪声等效温差外,还要标定噪声等效发射率差,若系统需白天使用,还应标定噪声等效反射率差。参 考 文 献1Wood J T.Opt Eng.,1976.15(6):5135362Wood J T.Proc.Electro-optical.Sys.DES.Conf.,1976:2242323尹达人.红外与激光技术,1995.24(6):9134尹达人,许生龙,刘平.红外技术,1996.18(2):36385Lloyd J M.T hermal Imag ing Systems.New York:PlenumPress,19756Hudson R D.Infrared System Engineering,New York:John Wiley&Sons INC.19697全中来.激光与红外,1958,(1):44458尚仁廷.全国热成象技术交流会论文选编,8358 所,1981:61639张幼文.红外光学工程,上海:上海科技出版社,198110吴小平等.红外与毫米波学报,1993.12(4):24925111中国科学院上海技术物理研究所,19881989 年文集,12周起勃.红外技术,1991,13(5):5713尹达人,航空兵器,1996,(1):111214红外与光电子导报,1985,(8)(下转第 38 页)33Vol.19No.4红外技术图 5信号处理装置功能框图 Fig.5 SPU functionl blocks下一步是评估每个可能目标的时间特性。这涉及处理图象的连续性,识别目标出现的时间数。该过程消除了太阳闪光和反射等引起的探测干扰,提供目标优先的有用判据。在预先确定的帧数内出现的探测信号及其动态特性细节被送到跟踪处理器。跟踪处理器保留每个被探测目标的跟踪信息。将后面的视场位置的探测与现有跟踪信息进行比较,确保正确地将在搜索区单次扫描内的几个位置出现的快速动目标作为同一个目标分类。此外,该处理器还对搜索区一次扫描的目标与另一次扫描的目标进行关联。在搜索区每次扫描结束时,跟踪处理器在目标特性基础上,跟踪预先定义的判据按优先序排列跟踪信息,并把最高优先信息输出到飞机系统。信号处理装置还能以一个特殊方式提供单个目标的运动学测距数据。这是用两个二维卡尔曼滤波器来实现的。要求飞机进行折线机动,以使算法能收敛于精确解。(待续)(上接第 33页)Analysis of Measuring Method for NETDYin DarenXu Shenglong(N anjing University of Scienceand Technology,Nanjing,210014)(Kunming Institute of Physics,K unming,650223)AbstractNoise equivalent bandwidth is important in measurement of the NET D for scanningand staring thermal imagers.At the same time,NEED and NERD also play an important part inimager performance;therefore,they should be taken into account in performance evaluation.Key wordsThermal imager NET D Noise equivalent bandwidth38张赛金:机载红外搜索跟踪系统1997 年 7 月